CN102469676A

CN102469676A - 等离子体生成装置

Info

Publication number: CN102469676A
Application number: CN2011103629755A
Authority: CN
Inventors: 糸村大辅; 寺亮之介; 广川保明; 永谷勇人
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2010-11-16
Filing date: 2011-11-16
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2031-11-16
Also published as: JP2012107281A; JP5170216B2; US20120119649A1; DE102011055125B4; CN102469676B; DE102011055125A1; US8872427B2

Abstract

一种等离子体生成装置包括：电源（10），其电极之一连接到N个真空室（2-1至2-3）的真空室壁（15-1至15-3）；振荡器（11），其在每个预定周期输出脉冲信号；N个脉冲放大电路（13-1至13-3），其并联连接到振荡器以及电源的另一电极，并且每个脉冲放大电路放大脉冲信号并且将放大的脉冲信号提供给设置在N个真空室中的N个电极中的对应的一个电极；以及至少（N-1）个定时生成电路（12-1至12-3），其连接在振荡器和至少（N-1）个脉冲放大电路之间，并且使脉冲信号延迟分别不同的延迟时间，使得在任何特定时间，脉冲信号仅被供给其中一个脉冲放大电路。

Description

等离子体生成装置

技术领域

本发明涉及一种等离子体生成装置。

背景技术

此前，通过等离子体生成反应活性部位的等离子体生成装置已被广泛地用于各种材料的处理，诸如表面处理、薄膜淀积和刻蚀。例如，等离子体生成装置用于将类金刚石碳（DLC）膜淀积在基板表面上。等离子体生成装置通过使填充到真空室中的诸如甲烷或乙炔的烃气离子化来创建等离子体状态，并且使用得到的诸如基团和离子的反应活性物种来淀积DLC膜。

在现有技术中，提出了一种通过安排使得从单个电源装置经由继电器向多个等离子体生成装置（为多个真空室中的每个提供一个等离子体生成装置）供电，或者向设置在单个真空室中的多个电极供电（例如，参见日本未审专利公布第H10-340798号、第H11-40395号和第2003-129234号）来降低装置成本的技术。

例如，在用于大量制造产品的制造工艺中，优选的是能够减少处理产品所需的时间以便提高生产率。因此，期望在诸如使用等离子体生成装置的膜淀积的工艺步骤中安排使得膜可以以并行和同时的方式淀积在多个工件的表面上。

然而，日本未审专利公布第H10-340798号和第H11-40395号中公开的技术旨在使得：在多个真空室中的一个中使用等离子体执行处理的同时，可以在其他真空室中进行工件等的运送，并且从电源经由继电器向多个真空室中的一个供电。因此，通过这些技术，不可能同时在多个真空室中生成等离子体。

另一方面，在日本未审专利公布第2003-129234号中公开的技术的情况下，多个脉冲分配提供部件（为每个溅射蒸发源提供一个脉冲分配提供部件）并联连接到直流（DC）电源，并且每个脉冲分配提供部件包括能够存储从电源提供的功率的电容器。根据该技术，通过接通每个脉冲分配提供部件中并入的开关设备，可以在连接到脉冲分配提供部件的负电极和连接到直流电源的正电极之间生成辉光放电。

此外，根据该技术，为每个溅射蒸发源提供一个开关，并且通过在来自控制机构的开关信号的控制下操作开关以在不同的定时打开和闭合，以时分方式顺序地向各个溅射蒸发源提供脉冲状功率。然而，由于该技术需要提供用于调整定时以向各个溅射蒸发源供电的控制机构，因此该装置配置是复杂的。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种等离子体生成装置，其可以以交替的方式在多个真空室中生成等离子体，同时简化了装置配置。

根据本发明的一个实施例，提供了一种等离子体生成装置，用于通过在N个真空室的真空室壁和设置在N个真空室中的N个电极之间施加电压，在N个真空室中的每个中生成等离子体，其中N是不小于2的整数。该等离子体生成装置包括：电源，其电极之一连接到真空室壁；振荡器，其在每个预定的周期输出脉冲信号；N个脉冲放大电路，其并联连接到振荡器以及电源的另一电极，并且每个脉冲放大电路通过使用从电源提供的功率来放大脉冲信号并且将放大的脉冲信号提供给N个电极中的对应的一个电极；以及至少（N-1）个定时生成电路，其连接在振荡器和从N个脉冲放大电路中选择的至少（N-1）个脉冲放大电路之间，并且使脉冲信号延迟分别不同的延迟时间，使得在将脉冲信号提供给N个脉冲放大电路中的一个脉冲放大电路的周期期间，脉冲信号不会被提供给其他脉冲放大电路中的任何一个脉冲放大电路。通过该配置，等离子体生成装置可以以交替的方式在多个真空室中生成等离子体，同时用于简化装置配置。此外，由于电源不需要同时向多个脉冲放大电路供电，并且因此可以减少电源负载，所以可以由基本上与仅一个脉冲放大电路被提供在等离子体生成装置中时相同数量的电路来构造电源。因此，该等离子体生成装置用于简化装置的配置。

优选地，振荡器输出作为脉冲信号的信号，该信号包含短脉冲和长脉冲，该短脉冲具有第一电压和第一持续时间，该长脉冲跟随该短脉冲并且具有量值小于第一电压的第二电压以及长于第一持续时间的第二持续时间。这样，根据该等离子体生成装置，通过在真空室中首先施加短的高电压脉冲来形成辉光放电，并且随后，在真空室中施加的电压减小到可以维持辉光放电的水平。由于这用于防止在真空室中发生电弧放电，因此等离子体生成装置可以以稳定的方式生成等离子体。

优选地，振荡器输出脉冲信号的预定周期被设定为使得即使在放大脉冲信号的施加结束和后继的放大脉冲信号的施加开始之间的周期中，也可以通过瞬变现象在每个真空室中生成等离子体。这样，该等离子体生成装置可以同时在多个真空室中生成等离子体。

根据本发明的另一实施例，提供了一种等离子体生成装置，用于通过在真空室的真空室壁和设置在真空室中的N个电极之间施加电压，在真空室中生成等离子体，其中N是不小于2的整数。再者，在该实施例中，该等离子体生成装置包括：电源，其电极之一连接到真空室壁；振荡器，其在每个预定的周期输出脉冲信号；N个脉冲放大电路，其并联连接到振荡器以及电源的另一电极，并且每个脉冲放大电路通过使用从电源提供的功率来放大脉冲信号并且将放大的脉冲信号提供给N个电极中的对应的一个电极；以及至少（N-1）个定时生成电路，其连接在振荡器和从N个脉冲放大电路中选择的至少（N-1）个脉冲放大电路之间，并且使脉冲信号延迟分别不同的延迟时间，使得在将脉冲信号提供给N个脉冲放大电路中的一个脉冲放大电路的周期期间，脉冲信号不会被提供给其他脉冲放大电路中的任何一个脉冲放大电路。因此，该等离子体生成装置可以以交替的方式在一个真空室内在室壁和分别不同的电极之间生成等离子体。

附图说明

通过结合附图参照以下详细描述，将更好地理解本发明的这些和其他特征和优点，在附图中：

图1是示意性图示根据本发明的一个实施例的等离子体生成装置的配置的示图；

图2是振荡器的一个示例的电路图；

图3是示出施加到各个真空室的电压脉冲波形的时序图；以及

图4是示意性图示根据另一实施例的等离子体生成装置的配置的示图。

具体实施方式

下文将参照附图描述根据本发明的一个实施例的等离子体生成装置。该实施例的等离子体生成装置通过在多个真空室中的每个中引发设置在真空室中的两个电极之间的辉光放电来生成等离子体。在该等离子体生成装置中，多个脉冲放大电路（为每个真空室提供一个脉冲放大电路）并联连接到一个电源，并且还经由相应的定时生成电路并联连接到一个振荡器。振荡器生成的脉冲在分别不同的时间经由相应的定时生成电路被提供给脉冲放大电路。每个脉冲放大电路通过使用从电源提供的功率来放大输入脉冲，并且将放大的脉冲施加到真空室中的电极。通过因此在时间上分散电源负载，等离子体生成装置在多个真空室中生成等离子体，同时允许使用小的电源。

图1是示意性图示根据本发明的一个实施例的等离子体生成装置1的完整配置的示图，其作为使用化学气相淀积（CVD）方法的膜淀积装置而操作。等离子体生成装置1包括三个真空室2-1至2-3、一个电源10、一个振荡器11、三个定时生成电路12-1至12-3、以及三个脉冲放大电路13-1至13-3，其中为每个真空室提供一个脉冲放大电路。

每个真空室2-1至2-3包括用于排空真空室的排空机构（未示出）、压力计（未示出）、以及用于将提供气体活性物种的工艺气体引入到真空室中的工艺气体引入机构（未示出），其中该气体活性物种提供淀积源材料。每个真空室2-1至2-3可以进一步包括用于将由淀积基板（工件）形成的电极14-1至14-3运入真空室或者运出真空室的机构。

脉冲放大电路13-1至13-3经由相应的定时生成电路12-1至12-3并联连接到振荡器11。振荡器11生成的脉冲经由相应的定时生成电路12-1至12-3被提供给脉冲放大电路13-1至13-3。

脉冲放大电路13-1至13-3还并联连接到电源10的负电极。此外，脉冲放大电路13-1至13-3例如经由穿过形成相应的真空室的底部的绝缘体的引线连接到设置在相应的真空室2-1至2-3中的电极14-1至14-3。每个脉冲放大电路13-1至13-3通过使用从电源10提供的功率放大输入脉冲信号，并且将放大的脉冲信号提供给电极14-1至14-3中的对应的一个电极。

另一方面，作为相应的真空室2-1至2-3的内壁的真空室壁15-1至15-3均由诸如铁或铜的传导材料形成为例如圆柱体或寺院钟的形状，并且连接到电源10的接地电极。因此，真空室壁15-1至15-3还用作电极，并且当脉冲信号被施加到每个电极14-1至14-3时，在电极14和真空室壁15-1至15-3中的对应的一个真空室壁之间发生辉光放电，并且因此在每个真空室中生成工艺气体的等离子体。

在淀积工件被放置在相应的真空室2-1至2-3中之后，排空真空室。此后，将工艺气体引入到每个真空室2-1至2-3中。根据淀积活性物种使用适当类型的工艺气体。例如，稀有气体、烃气、或氧气、或者这些气体中的两种或更多种的混合物，被用作工艺气体。更具体地，Ar、He、N₂、O₂、H₂、CH₄、C₂H₂、C₂H₄、C₃H₈、CF₄、C₂F₆、SF₆、SiH₄、SiH₃Cl、SiH₂Cl₂、Si(CH₃)₄和(CH₃)₃Si-NH-Si(CH₃)₃之一或者这些气体中的两种或更多种的混合物被用作工艺气体。

在引入工艺气体之后，通过控制工艺气体引入机构或排空机构，将每个真空室中的压强调整到适当的压强，例如在100至101 kPa的范围内。

随后，等离子体生成装置1通过在真空室壁15-1至15-3和电极14-1至14-3之间施加脉冲状直流功率来在每个真空室中生成等离子体，并且通过分解等离子体中的气体而产生的活性物种在工件的表面上形成膜。例如，工件被涂覆有DLC。

下文将描述等离子体生成装置1的各种部件。

电源10在并联连接到电源10的负电极的每个脉冲放大电路13-1至13-3和并联连接到电源10的正电极（即接地电极）的真空室壁15-1至15-3中的对应的一个真空室壁之间施加DC电压。电源10生成例如约300 V至1 kV的电压。电源10可以是例如商业上可用于等离子体生成装置的各种类型的电源装置中的任何一种。

振荡器11在每个预定周期生成脉冲信号，并且经由相应的定时信号生成电路12-1至12-3将生成的脉冲提供给脉冲放大电路13-1至13-3。在本实施例中，振荡器11生成的脉冲信号包含高电压短脉冲和低电压长脉冲，其中高电压短脉冲具有相对高的电压和相对短的持续时间，低电压长脉冲跟随高电压短脉冲并且具有量值小于高电压短脉冲的电压和长于高电压短脉冲的持续时间的持续时间。

由于在真空室中首先施加高电压，因此这便于在真空室中形成辉光放电。由于在一旦形成辉光放电之后，在真空室中施加的电压下降，因此等离子体生成装置1可以抑制在真空室中发生电弧放电。因此，等离子体生成装置1可以以稳定的方式在真空室中生成等离子体。例如，高电压短脉冲的持续时间是1μsec，而另一方面，低电压长脉冲的持续时间是5μsec。此外，振荡器11生成的高电压短脉冲的电压是几伏特，而低电压长脉冲的电压约为高电压短脉冲的电压的一半。

这里的脉冲振荡周期可以被设定为等于脉冲持续时间Pt和并联连接到振荡器11的脉冲放大电路的数目N的乘积（Pt×N），或者等于乘积（Pt×N）加上规定的偏移周期（例如，几微秒）。

优选地，脉冲振荡周期被设定为使得真空室中的脉冲信号的施加结束和下一脉冲信号的施加开始之间的周期比其间可以瞬间生成等离子体的状态持续的周期短。在该情况下，振荡周期被设定为例如几微秒至几十微秒。通过这样做，等离子体生成装置1可以同时在多个真空室中生成等离子体。

图2是振荡器11的一个示例的电路图。振荡器11包括数字信号生成器21、数字/模拟转换器22和直流电源23。

数字信号生成器21包括例如，嵌入型处理器及其外围电路，并且在从DC电源23提供的驱动电压（例如，5V）上操作。数字信号生成器21在每个预定的周期生成包含高电压短脉冲和跟随其的低电压长脉冲的数字波形信号，并且将该数字波形信号提供给数字/模拟转换器22。

数字/模拟转换器22是例如电阻器梯形数字/模拟转换器，并且通过使用从直流电源23提供的驱动电压将数字波形信号转换为模拟脉冲信号。数字/模拟转换器22产生的脉冲信号中包含的高电压短脉冲的电压的绝对值是例如5 V，并且低电压长脉冲的电压的绝对值是例如2.5 V。数字/模拟转换器22将脉冲信号提供给每个定时生成电路12-1至12-3。振荡器11可以由某个其他电路构造，该电路可以周期性地生成如上文所述的具有分两级逐步衰落的波形的脉冲信号。

定时生成电路12-1至12-3从振荡器11接收脉冲信号并且在使接收到的脉冲信号延迟分别不同的延迟时间之后输出脉冲信号。

图3图示了从相应的定时生成电路12-1至12-3输出的脉冲信号的时序图的一个示例。在图3中，横坐标表示时间，并且纵坐标表示电压。曲线301示出了从定时生成电路12-1输出的电压随时间的改变。相似地，曲线302示出了从定时生成电路12-2输出的电压随时间的改变。此外，曲线303示出了从定时生成电路12-3输出的电压随时间的改变。在每个曲线301至303中，其间电压分两级逐步改变的周期构成一个脉冲信号310。在该实施例中，由于脉冲电压被施加到真空室的负电极，因此脉冲信号310具有负电压值。也就是说，高电压短脉冲的电压低于低电压长脉冲的电压。

如图3中所示，定时生成电路12-1至12-3使脉冲信号延迟分别不同的延迟时间，从而在将脉冲信号提供给一个脉冲放大电路的周期期间，脉冲信号未被提供给其他脉冲放大电路中的任何一个。例如，定时生成电路12-1在使从振荡器11接收到的脉冲信号延迟几微秒之后将该信号提供给脉冲放大电路13-1。另一方面，定时生成电路12-2在使接收到的脉冲信号延迟等于从振荡器11输出的脉冲信号的持续时间、定时生成电路12-1的延迟时间和规定的偏移（例如，几微秒）的总和的周期之后，将脉冲信号提供给脉冲放大电路13-2。此外，定时生成电路12-3在使接收到的脉冲信号延迟等于从振荡器11输出的脉冲信号的持续时间、定时生成电路12-2的延迟时间和规定的偏移的总和的周期之后，将脉冲信号提供给脉冲放大电路13-3。

例如，在周期t₁中，脉冲信号仅被提供给脉冲放大电路13-1。同样地，在周期t₂中，脉冲信号仅被提供给脉冲放大电路13-2。在周期t₃中，脉冲信号仅被提供给脉冲放大电路13-3。由于这防止同时从多个脉冲放大电路将负载施加到电源10，因此电源10可以由基本上与仅一个脉冲放大电路连接到电源电路时相同数量的电路构造。

脉冲放大电路13-1至13-3放大经由相应的定时生成电路接收到的脉冲。为此目的，脉冲放大电路13-1至13-3均包括连接到电源10的负电极的电流提升电路31，以及从定时生成电路接收脉冲并且将放大的脉冲提供给电极14-1至14-3中的对应的一个电极的放大电路32。

电流提升电路31放大从电源10流到电极14-1至14-3中的对应的一个电极的电流。例如，电流提升电路31放大电流，从而当脉冲信号被施加到电极时，几毫安至几安的电流在真空室壁和电极之间流动。电流提升电路31可以是例如设计用在等离子体生成装置中的各种已知的电流提升电路中的任何一种。

放大电路32放大脉冲信号的电压，同时维持脉冲信号的波形。例如，放大电路32将脉冲信号中的高电压短脉冲的电压放大到约几百伏至1 kV。此外，放大电路32将脉冲信号中的低电压长脉冲的电压放大到放大的高电压短脉冲的电压的约一半。放大电路32可以是例如，可以处置几百伏至几千伏的直流输出电压的各种已知的放大电路中的任何一种。

放大电路32将放大的脉冲信号提供给电极14-1至14-3中的对应的一个。当放大的脉冲信号中包含的高电压短脉冲信号被施加到电极时，在真空室中发生辉光放电。此后，在将放大的低电压长脉冲信号施加到电极的周期期间，在真空室中维持辉光放电。这样，等离子体生成装置1可以在将放大的脉冲信号施加到电极的周期期间持续地生成工艺气体的等离子体。此外，由于施加到电极的电压在形成辉光放电之后下降，因此防止了在真空室中发生电弧放电。

如上文所述，在脉冲生成装置中，一个振荡器生成的脉冲经由相应的定时生成电路被提供给脉冲放大电路，这些定时生成电路并联连接到该振荡器，引入不同的延迟时间，从而脉冲放大电路所放大的脉冲以错开的方式被施加到相应的真空室。因此，在该等离子体生成装置中，由于针对电源的负载可以减小到基本上与仅一个脉冲放大电路连接到电源电路时相同的水平，因此可以减小电源的尺寸和容量。此外，由于用于将脉冲信号施加到每个真空室的定时通过其相关联的定时生成电路调整，因此等离子体生成装置消除了对用于控制定时的复杂控制机构的需要。这用于简化等离子体生成装置的配置。

此外，由于具有逐步衰落的两级波形的脉冲信号被施加到每个真空室，因此等离子体生成装置可以不仅在真空室中容易地生成辉光放电，而且还可以防止发生电弧放电。结果，等离子体生成装置可以以稳定的方式在每个真空室中生成等离子体。

本发明不限于以上具体实施例。例如，设置在等离子体生成装置中的真空室的数目不限于3，而是等离子体生成装置可以根据用途包括适当数目的真空室，该数目是2或更大。

此外，多个脉冲放大电路中的一个可以直接连接到振荡器而非经由定时生成电路连接到振荡器。更具体地，当N个脉冲放大电路（N是不小于2的整数）并联连接到电源和振荡器时，等离子体生成装置具有连接在振荡器和（N-1）个脉冲放大电路之间的（N-1）个定时生成电路。再者，在该情况下，由于每个定时生成电路可以延迟脉冲到达其相关联的脉冲放大电路的定时，因此根据该修改示例的等离子体生成装置可以实现与根据以上实施例的等离子体生成装置实现的效果相似的效果。

根据以上实施例或修改示例的等离子体生成装置可以用在其中需要在真空室中生成等离子体的各种应用中。例如，等离子体生成装置还可以被应用为通过物理汽相淀积（PVD）在工件上淀积膜的膜淀积装置。

图4是示意性图示根据本发明的另一实施例的等离子体生成装置的配置的示图，其作为PVD膜淀积装置操作。根据该实施例的等离子体生成装置41包括三个真空室2-1至2-3、一个电源10、一个振荡器11、三个定时生成电路12-1至12-3、以及三个脉冲放大电路13-1至13-3，其中为每个真空室提供一个脉冲放大电路。

等离子体生成装置41与图1的等离子体生成装置1的不同之处在于，电极14-1至14-3（每个电极由作为工件的淀积基板形成）经由相应的脉冲放大电路13-1至13-3连接到电源10的正电极。再者，在该实施例中，真空室壁15-1至15-3连接到电源10的接地电极。在该实施例中，用于提供淀积材料的目标16-1至16-3电连接到相应的真空室壁15-1至15-3。当通过使引入到真空室中的气体离子化而生成的离子撞击靶时，通过撞击从靶逐出的粒子被淀积在电极14-1至14-3上。

再者，在该实施例的脉冲生成装置41中，由一个振荡器生成的脉冲经由相应的定时生成电路被提供给脉冲放大电路，这些定时生成电路并联连接到该振荡器，引入不同的延迟时间，从而由脉冲放大电路放大的脉冲以错开的方式被施加到相应的真空室。因此该等离子体生成装置41可以实现与根据以上实施例的等离子体生成装置实现的效果相似的效果。

再者，在该实施例中，真空室的数目不限于3。此外，作为修改示例，多个电极14-1至14-3（每个电极是淀积工件并且经由多个脉冲放大电路中的一个连接到电源的一个电极）可以设置在一个真空室内，如图4中的虚线指示的那样。在该情况下，连接到相应的脉冲放大电路的电极例如可以由分别不同的材料形成。再者，在该修改示例中，真空室的真空室壁连接到电源的其他电极（接地电极）。因此该等离子体生成装置可以在多个工件上淀积膜。

如上文所述，本领域的技术人员可以在不偏离本发明的范围的情况下进行各种修改。

Claims

1.一种等离子体生成装置，用于通过在N个真空室（2-1至2-3）的真空室壁（15-1至15-3）和设置在所述N个真空室中的N个电极（14-1至14-3）之间施加电压，在所述N个真空室中的每个中生成等离子体，其中N是不小于2的整数，所述等离子体生成装置包括：

电源（10），其电极之一连接到所述真空室壁；

振荡器（11），其在每个预定周期输出脉冲信号；

N个脉冲放大电路（13-1至13-3），其并联连接到所述振荡器以及所述电源的另一电极，并且每个脉冲放大电路通过使用从所述电源提供的功率来放大所述脉冲信号并且将所述放大的脉冲信号提供给所述N个电极中的对应的一个电极；以及

至少（N-1）个定时生成电路（12-1至12-3），其连接在所述振荡器和从所述N个脉冲放大电路中选择的至少（N-1）个脉冲放大电路之间，并且使所述脉冲信号延迟分别不同的延迟时间，使得在将所述脉冲信号提供给所述N个脉冲放大电路中的一个脉冲放大电路的周期期间，所述脉冲信号不会被提供给其他脉冲放大电路中的任何一个脉冲放大电路。

2.根据权利要求1所述的等离子体生成装置，其中所述振荡器输出作为所述脉冲信号的信号，所述信号包含短脉冲和长脉冲，所述短脉冲具有第一电压和第一持续时间，所述长脉冲跟随所述短脉冲并且具有量值小于所述第一电压的第二电压以及长于所述第一持续时间的第二持续时间。

3.根据权利要求1所述的等离子体生成装置，其中所述预定周期被设定为使得即使在所述放大脉冲信号的施加结束和后继的放大脉冲信号的施加开始之间的周期中也能通过瞬变现象在每个所述真空室中生成等离子体。

4.一种等离子体生成装置，用于通过在真空室（2-1）的真空室壁（15-1）和设置在所述真空室中的N个电极（14-1至14-3）之间施加电压来在所述真空室中生成等离子体，其中N是不小于2的整数，所述等离子体生成装置包括：

电源（10），其电极之一连接到所述真空室壁；

振荡器（11），其在每个预定周期输出脉冲信号；

至少（N-1）个定时生成电路，其连接在所述振荡器和从所述N个脉冲放大电路中选择的至少（N-1）个脉冲放大电路之间，并且使所述脉冲信号延迟分别不同的延迟时间，使得在将所述脉冲信号提供给所述N个脉冲放大电路中的一个脉冲放大电路的周期期间，所述脉冲信号不会被提供给其他脉冲放大电路中的任何一个脉冲放大电路。